FGH96渦輪盤(pán)榫槽成形磨削加工技術(shù)研究*

秦 彬，王子銘，于建華，張 渝，李 勛

（1.山東理工大學(xué)，淄博 255000；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241）

粉末高溫合金因具有較好的抗高溫力學(xué)性能和抗疲勞蠕變性能，逐漸成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力動(dòng)部件的首選材料。與第1代相比，我國(guó)第2代粉末高溫合金FGH96具有更好的高溫抗裂變能力，能夠滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、長(zhǎng)壽命的要求，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)部件[1]。優(yōu)異的材料性能也使粉末高溫合金成為典型的難加工材料，尤其是針對(duì)渦輪盤(pán)樅樹(shù)形榫槽的加工，機(jī)械加工難度更大[2]。

目前，粉末高溫合金渦輪盤(pán)榫槽以拉削加工為主[3–4]，拉削加工因其高效率的優(yōu)勢(shì)成為榫槽加工的首選方式。德國(guó)的Klocke等[5]通過(guò)分析拉刀的磨損機(jī)理，提出了硬質(zhì)合金機(jī)加刀齒的拉刀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了拉刀的使用效率和加工能力，隨著高速側(cè)拉的出現(xiàn)，其團(tuán)隊(duì)對(duì)榫槽進(jìn)行高速拉削試驗(yàn)，證明了高速拉削比普通拉削加工效率高，加工后榫槽表面質(zhì)量好[4]。但拉削加工的劣勢(shì)也十分明顯，如拉刀的尺寸較長(zhǎng)、磨損快、成本高、制造周期長(zhǎng)、工藝靈活性差等[6]。

隨著線(xiàn)切割技術(shù)的發(fā)展，精密線(xiàn)切割技術(shù)也慢慢被應(yīng)用到渦輪盤(pán)榫槽的加工中[7]。Klocke等[5，8–10]深入研究了精密線(xiàn)切割技術(shù)在榫槽加工方面的應(yīng)用問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造與升級(jí)，增加專(zhuān)用的控制系統(tǒng)，得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果。精密線(xiàn)切割后的榫槽輪廓度能夠達(dá)到±0.1 mm，但榫槽表面粗糙度較大，在某些范圍內(nèi)，試件的疲勞性能與拉削加工完成的試件基本相當(dāng)[11]。郭偉彬等[12]利用電火花加工粉末高溫合金FGH96材料，通過(guò)SEM微觀分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物是造成粉末高溫合金疲勞壽命降低的主要原因。

雖然精密線(xiàn)切割過(guò)程基本不受切削力的影響，但加工完成后，粉末高溫合金榫槽表面會(huì)出現(xiàn)不同程度的重鑄層，會(huì)影響高溫承力動(dòng)部件抗疲勞性能[11]，也限制了精密線(xiàn)切割技術(shù)在粉末高溫合金渦輪盤(pán)榫槽領(lǐng)域的發(fā)展。隨著高速精密磨削技術(shù)的發(fā)展，羅·羅公司的Aspinwall等[13]明確指出拉削加工渦輪盤(pán)榫槽的缺點(diǎn)，提出利用超硬磨料砂輪對(duì)Udimet 720榫槽進(jìn)行磨削加工，發(fā)現(xiàn)刀具磨損小、表面粗糙度低，證明了成形砂輪進(jìn)行榫槽精密磨削加工可行性。美國(guó)的Curtis等[14]提出了利用杯型砂輪進(jìn)行榫槽結(jié)構(gòu)成形磨削加工的原理性工藝方法，但是并未采用這種方法進(jìn)行實(shí)際榫槽的磨削驗(yàn)證性試驗(yàn)。

通過(guò)以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，各種渦輪盤(pán)榫槽加工方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，也表明成型砂輪對(duì)榫槽加工的可能性，但是針對(duì)FGH96渦輪盤(pán)榫槽成形磨削加工方法及其加工精度的研究還很少。本文利用電鍍CBN成形砂輪針對(duì)線(xiàn)切割粗加工后的榫槽進(jìn)行精密磨削加工，通過(guò)單側(cè)輪廓局部成形磨削榫槽試驗(yàn)驗(yàn)證該加工工藝方式實(shí)現(xiàn)FGH96渦輪盤(pán)榫槽加工的可行性，為粉末冶金高溫合金榫槽的精密加工提供了靈活、便捷且行之有效的工藝方法。

1 渦輪盤(pán)榫槽的成形磨削加工過(guò)程

1.1 榫槽結(jié)構(gòu)分析

渦輪盤(pán)是典型的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。榫槽均勻分布在渦輪盤(pán)上，由直線(xiàn)段、凸圓弧、凹圓弧組成，如圖1所示。在渦輪盤(pán)工作過(guò)程中，榫槽榫齒的下表面主要承受來(lái)自葉片的拉力，其表面有嚴(yán)格的質(zhì)量要求。榫齒的齒根容易受應(yīng)力集中影響而產(chǎn)生斷裂，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，榫槽的輪廓精度和表面質(zhì)量就變得至關(guān)重要。

1.2 砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可以看出，榫槽的曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間小，限制了刀具的退刀、進(jìn)刀。因?yàn)殚静鄣拈君X結(jié)構(gòu)形狀完全相同，成形砂輪可以根據(jù)榫齒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，砂輪的輪廓與榫槽的局部輪廓完全一致。

圖1 渦輪盤(pán)和榫槽結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of turbine disk and slot

圖2 電鍍CBN成形砂輪Fig.2 Electroplated CBN profiled grinding wheel

1.3 榫槽成形磨削加工過(guò)程

榫槽進(jìn)行精密磨削加工前，采用線(xiàn)切割的方式對(duì)榫槽進(jìn)行粗加工，去除大量多余的材料。線(xiàn)切割加工后的榫槽表面質(zhì)量較差，表面有重鑄層存在，成形磨削需要把重鑄層去除，并保證榫槽的表面質(zhì)量和輪廓精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。榫槽線(xiàn)切割粗加工后，需要預(yù)留0.1 mm左右的加工余量，榫槽加工的工藝過(guò)程如圖3所示。

圖3 榫槽加工工藝過(guò)程Fig.3 Machining process of slot

加工過(guò)程中切削液需對(duì)砂輪和磨削區(qū)進(jìn)行充分潤(rùn)滑和冷卻，因此成形砂輪各處的直徑均小于對(duì)應(yīng)榫槽位置的寬度。為了保證榫槽兩側(cè)輪廓的對(duì)稱(chēng)性，砂輪采用“自下而上”多次平移的運(yùn)動(dòng)軌跡，且砂輪輪廓在磨削榫槽單側(cè)輪廓時(shí)有相應(yīng)的重疊，完成對(duì)榫槽兩側(cè)輪廓的精密磨削，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 榫槽單面輪廓的磨削工藝與砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Grinding technology of single-sided profile of slot and motion track of grinding wheel

2 榫槽磨削驗(yàn)證試驗(yàn)

為了保證葉片榫頭與榫槽的連接空隙以及渦輪盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，榫槽的輪廓精度要求達(dá)到0.012 mm，表面粗糙度Ra要求不大于0.8 μm。而要保證磨削精度，砂輪的選擇是至關(guān)重要的，砂輪粒度號(hào)不同，磨粒尺寸不一樣，會(huì)對(duì)磨削加工表面粗糙度具有較大的影響，因此需要通過(guò)具體試驗(yàn)得到滿(mǎn)足榫槽設(shè)計(jì)要求的砂輪粒度。

2.1 試驗(yàn)材料和砂輪

試驗(yàn)材料為粉末冶金高溫合金FGH96，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和2所示，材料的微觀組織如圖5所示。

圖5 FGH96材料組織Fig.5 Material microstructure of FGH96

表1 FGH96的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main chemical composition of FGH96 (mass fraction) %

試驗(yàn)使用的砂輪是電鍍CBN棒狀砂輪，砂輪的基體材料是硬質(zhì)合金，磨粒通過(guò)電鍍的方式附著在基體上，砂輪長(zhǎng)50 mm，直徑為Φ6 mm，磨削刃部分長(zhǎng)18 mm，如圖6所示。

圖6 電鍍CBN砂輪（mm）Fig.6 Electroplated CBN grinding wheel (mm)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中砂輪的線(xiàn)速度對(duì)于超硬磨料砂輪的磨削效果和磨削比至關(guān)重要，足夠的線(xiàn)速度是保證零件特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密加工的基礎(chǔ)。普通機(jī)床的轉(zhuǎn)速無(wú)法滿(mǎn)足砂輪加工的要求，試驗(yàn)設(shè)備中需要附加高速主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速為60000 r/min，功率為1.5 kW，如圖7所示。同時(shí)，加工過(guò)程中采用Blasogrind HC 10巴索全合成高速磨削油對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，冷卻液的出口壓力為4.5 MPa，流量為80 L/min。

圖7 高速主軸機(jī)床附件及磨削加工過(guò)程Fig.7 High speed spindle and grinding process

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

磨削加工中，砂輪的粒度是影響磨削表面粗糙度的關(guān)鍵因素，而在可行的磨削參數(shù)范圍內(nèi)，選擇較高的轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給速度和磨削深度會(huì)形成較小的表面粗糙度，因此采用表3中所示的磨削參數(shù)，并利用不同粒度號(hào)的電鍍CBN砂輪對(duì)FGH96進(jìn)行磨削試驗(yàn)，可以看出，表面粗糙度Ra和Rz（Ra表示輪廓算術(shù)平均偏差；Rz表示微觀不平度十點(diǎn)高度）均隨著粒度號(hào)的增大而減小。當(dāng)砂輪粒度號(hào)從250#增加至400#時(shí)，Ra由4.21 μm降至 1.55 μm，Rz由 23.33 μm 降至 8.98 μm，砂輪粒度對(duì)表面粗糙度有明顯影響；當(dāng)砂輪粒度號(hào)從400#增加到700# 時(shí)，Ra由 1.55 μm 降至 0.54 μm，Rz由 8.98 μm 降至4.03 μm，粒度號(hào)對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)降低。當(dāng)粒度號(hào)增大時(shí)，砂輪表面的磨粒變小，密度增大，砂輪在磨削表面留下溝痕就越淺，表面粗糙度減小。由試驗(yàn)結(jié)果可知，為了滿(mǎn)足Ra=0.8 μm的要求，可以使用600#電鍍CBN砂輪進(jìn)行最后的精密磨削。

表2 FGH96的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of FGH96

表3 磨削加工條件和表面粗糙度測(cè)量結(jié)果Table 3 Grinding conditions and measurement results of surface roughness

3 榫槽磨削試驗(yàn)

3.1 砂輪對(duì)刀

在榫槽的精密磨削過(guò)程中，榫槽的磨削基準(zhǔn)選擇和位置測(cè)量是一項(xiàng)十分重要工作，成形砂輪與榫槽粗加工后的相對(duì)位置如果出現(xiàn)偏差，會(huì)影響榫槽的加工效率，甚至?xí)霈F(xiàn)砂輪初始磨削量過(guò)大，造成砂輪和工件損壞，因此，加工前需要準(zhǔn)確測(cè)量砂輪與榫槽加工基準(zhǔn)之間的位置關(guān)系。本試驗(yàn)通過(guò)采用精密對(duì)刀塊輔助對(duì)刀的方式，來(lái)保證兩者相關(guān)位置的準(zhǔn)確性。

線(xiàn)切割加工時(shí)保證試塊的外輪廓與榫槽輪廓存在一定的位置關(guān)系。砂輪緩慢靠近精密對(duì)刀塊，當(dāng)砂輪與精密量塊有輕微接觸，確定砂輪與榫槽輪廓位置關(guān)系，依次完成圖8中位置1~3的基準(zhǔn)選取。根據(jù)砂輪的結(jié)構(gòu)尺寸，得到砂輪編程基準(zhǔn)點(diǎn)與榫槽之間的位置關(guān)系。

圖8 榫槽磨削加工的基準(zhǔn)選取Fig.8 Selection of grinding datum for slot

3.2 榫槽表面檢測(cè)

試驗(yàn)采用棒狀砂輪的優(yōu)選參數(shù)對(duì)試塊進(jìn)行粗磨與精磨。粗磨參數(shù)： 400#，n=48000 r/min，ap=0.005 mm，vf=200 mm/min。精磨參數(shù)： 600#，n=48000 r/min，ap=0.002 mm，vf=100 mm/min。為了更加接近實(shí)際加工，加工路徑如圖4所示，實(shí)際加工如圖9所示。

圖9 榫槽成形磨削加工Fig.9 Profiled grinding of slot

線(xiàn)切割可以去除大量的多余材料，并能夠保證榫槽的輪廓精度，但線(xiàn)切割后的榫槽表面質(zhì)量較差，如圖10所示。從SEM圖中可以看出，榫槽的表面存在重鑄層，厚度接近0.02 mm。由于切削凹陷和重鑄層堆積問(wèn)題，對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生了影響，表面粗糙度Ra為3.2 μm。

圖10 FGH96線(xiàn)切割后的表面組織Fig.10 Microstructure of FGH96 machined by wire-EDM

榫槽磨削完成后，線(xiàn)切割留下的加工缺陷和重鑄層已經(jīng)去除，表面整齊均勻。磨削后沒(méi)有發(fā)生組織變化，晶粒也沒(méi)有因?yàn)榧羟欣於a(chǎn)生纖維變形，如圖11所示。

圖11 FGH96磨削后的表面組織Fig.11 Surface structure of FGH96 after grinding

對(duì)成形砂輪加工后的榫槽表面使用共聚焦顯微鏡測(cè)量，如圖12所示。表面的加工溝痕深度均勻，表面平整、無(wú)磨屑堆積，榫槽的表面粗糙度Ra為0.56 μm，與前期試驗(yàn)結(jié)果接近，滿(mǎn)足實(shí)際加工要求。

圖12 榫齒表面的微觀形貌（Ra=0.56 μm）Fig.12 Micromorphology of slot surface (Ra=0.56 μm)

試驗(yàn)過(guò)程中，如果切削液不能對(duì)砂輪和磨削區(qū)域進(jìn)行充分冷卻、潤(rùn)滑，會(huì)導(dǎo)致切屑黏附在砂輪表面，使砂輪失去了磨削能力，造成榫槽表面出現(xiàn)缺陷，如圖13所示。

圖13 砂輪切屑堆積和榫槽表面缺陷Fig.13 Chip accumulation of grinding wheel and grinding defects of slot

3.3 榫槽的尺寸精度檢測(cè)

榫槽的輪廓結(jié)構(gòu)主要包括齒面中心連線(xiàn)的傾斜角度、齒頂圓弧、齒根圓弧、對(duì)齒齒距等，其中榫槽的齒距精度直接影響葉片與榫槽的配合穩(wěn)定性。其設(shè)計(jì)要求分別為上榫齒6.55 mm、下榫齒3.34 mm，公差要求為±0.03 mm。為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量上、下榫齒的齒距，利用高精度量塊 （精度±0.1 μm）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒外圓面間的距離進(jìn)行測(cè)量，如圖14所示。對(duì)上榫齒齒距、下榫齒齒距分別測(cè)量3次，得到如表4所示的結(jié)果?？梢钥闯觯祥君X齒距和下榫齒齒距的變動(dòng)范圍在6 μm左右，證明榫槽的尺寸穩(wěn)定性較好，榫槽的齒距精度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。測(cè)量值的微小變化主要受到兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)圓棒的圓度誤差、機(jī)床直線(xiàn)軸的運(yùn)動(dòng)誤差的影響，在加工、測(cè)量過(guò)程中很難避免。

表4 榫槽輪廓測(cè)量Table 4 Results of slot contour measurement mm

圖14 榫槽寬度的量棒測(cè)量方式（mm）Fig.14 Gauge rod measurement (mm)

4 結(jié)論

（1）針對(duì)線(xiàn)切割粗加工后的渦輪盤(pán)榫槽，采用電鍍CBN成形砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)榫槽的精密磨削加工，磨削加工后榫槽輪廓的關(guān)鍵尺寸和表面粗糙度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）與線(xiàn)切割加工相比，F(xiàn)GH96榫槽磨削加工后的表面沒(méi)有重鑄層，能夠避免因重鑄層內(nèi)部存在裂紋而影響榫槽的疲勞性能的加工質(zhì)量問(wèn)題。

（3）采用400#電鍍CBN砂輪粗磨、600#電鍍CBN砂輪精磨的工藝方法能夠滿(mǎn)足渦輪盤(pán)榫槽的加工表面質(zhì)量要求，精磨后榫槽的表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.56 μm，榫槽的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)FGH96渦輪盤(pán)榫槽的精密、低成本加工，為新型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的快速研制提供一種行之有效的工藝方法。